信号与系统 (2)

第 4 章 连续时间的复频域分析4.1 拉普拉斯变换4.1.1 拉普拉斯变换的定义4.1.2 收敛域与信号的分解4.1.3 常用的拉普拉斯变换4.1.4 拉氏变换与傅氏变换4.2 拉普拉斯变换的性质4.2.1 线性性质4.2.2 尺度性质4.2.3 位移性质4.2.4 微分性质4.2.5 积分性质4.2.6 特值定理4.2.7 卷积定理4.2.8 对称性质4.2.9 级数展开4.2.10 极限性质4.3 拉普拉斯逆变换4.3.1 复数域部分分式展开4.3.2 实数域部分分式展开4.3.3 常用拉普拉斯逆变换4.4 拉氏变换的应用4.4.1 埃尔米特多项式4.4.2 误差函数4.4.3 贝塔函数4.4.4 贝塞尔函数4.4.5 积分方程4.4.6 等时降线4.4.7 稳态解4.4.8 差分方程4.5 线性系统的复频域分析4.6 s 域的系统函数4.6.1 系统函数的定义4.6.2 零状态响应求解4.6.3 系统框图的设计4.7 零极点分布的时域影响4.7.1 零极点分布图4.7.2 零极点对冲激响应的影响4.7.3 零极点与系统响应的关系4.8 零极点分布的频域影响4.8.1 系统的频率响应4.8.2 典型的系统函数4.9 系统稳定性4.9.1 系统稳定的时域条件4.9.2 系统稳定的 s 域条件4.9.3 劳斯–赫尔维茨判据第 5 章 离散时间的时域分析5.1 离散时间信号及其运算5.1.1 离散时间信号的定义5.1.2 离散时间信号的运算5.1.3 常用的离散时间信号5.2 离散时间系统数学模型5.2.1 函数与序列方程分类5.2.2 函数与序列方程求解5.2.3 离散系统的运算单元5.3 常系数线性差分方程5.3.1 差分方程的齐次解5.3.2 差分方程的完全解5.3.3 零输入与零状态响应5.4 离散时间系统的单位样值响应5.4.1 单位样值响应的概念5.4.2 单位样值响应的求解5.4.3 系统因果性与稳定性5.5 离散时间系统的卷积和5.5.1 卷积和的性质5.5.2 卷积和的求解5.5.3 卷积和的应用第 6 章 离散时间系统的 z 域分析6.1 z 变换的概念6.1.1 z 变换的定义6.1.2 z 变换收敛域6.1.3 常用的 z 变换6.2 z 变换的性质6.2.1 线性性质6.2.2 位移性质6.2.3 尺度性质6.2.4 微分性质6.2.5 卷积定理6.2.6 特值定理6.3 z 逆变换6.3.1 围线积分法6.3.2 幂级数展开法6.3.3 部分分式展开法6.6 系统函数6.6.1 单位样值响应与系统函数6.6.2 零极点分布与系统的特性6.6.3 离散系统稳定性与因果性6.7 频率响应特性6.7.1 DLTIS 的频率响应特性6.7.2 DLTIS 的正弦稳态响应

第 4 章 连续时间的复频域分析

4.1 拉普拉斯变换

4.1.1 拉普拉斯变换的定义

 

4.1.2 收敛域与信号的分解

f(t)=12πj∫σ−j∞σ+j∞F(s)estds=12π∫−∞+∞F(σ+jω)eσt+jωtdω=∫−∞+∞F(σ−jω)e−jωt+F(σ+jω)ejωt2πeσtdt=∫−∞+∞cos⁡(ωt+θ)|F(s)|eσtdωπ.

 

4.1.3 常用的拉普拉斯变换

见附录:常用信号的拉普拉斯变换.

 

4.1.4 拉氏变换与傅氏变换

证明

 

 

4.2 拉普拉斯变换的性质

备注

4.2.1 线性性质

单双边线性性质 单边 Laplace 变换与双边 Laplace 变换均具有线性性质,即对于 ∀k1,k2∈C 有

  1. {f1(t)↔BF1(s),f2(t)↔BF2(s)⇒k1f1(t)+k2f2(t)↔Bk1F1(s)+k2F2(s).

  2. {f1(t)↔LF1(s),f2(t)↔LF2(s)⇒k1f1(t)+k2f2(t)↔Lk1F1(s)+k2F2(s).

 

4.2.2 尺度性质

双边尺度性质 若 f(t)↔BF(s) 且 0≠a∈R,则

  1. 时间尺度:f(at)↔B1|a|F(sa).

  2. 频域尺度:1|a|f(ta)↔BF(at).

证明

单边尺度性质 若 f(t)↔LF(s) 且 a>0,则

  1. 时间尺度:f(at)↔L1aF(sa).

  2. 频域尺度:1af(ta)↔LF(at).

证明

 

4.2.3 位移性质

双边位移性质 若 f(t)↔BF(s),则

  1. 时移性质:f(t−t0)↔BF(s)e−st0,t0∈C.

  2. 频移性质:f(t)es0t↔BF(s−s0),s0∈C.


单边位移性质 若 f(t)u(t)↔LF(s),则

  1. 时移性质:f(t−t0)u(t−t0)↔LF(s)e−st0,t0>0.

  2. 频移性质:f(t)u(t)es0t↔LF(s−s0),s0∈C.


推论 若因果信号 f(t) 的周期为 T,且第一个周期内的信号为 f1(t)↔LF1(s),则

f(t)=f1(t)+f1(t−T)u(t−T)+f1(t−2T)u(t−2T)↔LF1(s)+F1(s)e−sT+F1(s)e−2sT+⋯=F1(s)1−e−sT.

其中 L[δT(t)]=11−e−sT 称为周期因子.

 

4.2.4 微分性质

双边微分性质 若 f(t)↔BF(s),则

  1. 时域微分:f′(t)↔BsF(s).

  2. 频域微分:−tf(t)↔BF′(s).


双边微分性质推论 若 f(t)↔BF(s),则

  1. 时域微分:f(n)(t)↔BsnF(s).

  2. 频域微分:(−t)nf(t)↔BF(n)(s).


单边微分性质 若连续函数 f(t)↔LF(s),则

  1. 时域微分:f′(t)↔LsF(s)−f(0−).

  2. 频域微分:−tf(t)↔LF′(s).

证明

备注

  1. 第一点要求导数分段连续.

  2. f(t)=L−1[F(s)](t)=−1tL−1[F′(s)](t).


微分性质另一表述 若 f(t) 在 [0,t1),(t1,+∞) 连续,且 f(t)↔LF(s),导数分段连续,则

f′(t)↔LsF(s)−f(0−)−e−t1s[f(t1+)−f(t1−)].

备注 这是不考虑广义函数的情况,若考虑广义函数,则 f′(t) 的存在性不要求 f(t) 连续,且该定理与上一定理本质上是相同的.

单边微分性质推论 若连续函数 f(t)↔LF(s),则

  1. f(n)(t)↔LsnF(s)−sn−1f(0−)−sn−2f(0−)−⋯−f(n−1)(0−).

  2. (−t)nf(t)↔LF(n)(s).


例子 Laguerre 多项式 Ln(t)=etn!dndtn(tne−t) 的单边拉普拉斯变换为

Ln(t)↔L(s−1)nsn+1.

 

4.2.5 积分性质

双边积分性质 若 f(t)↔BF(s),且 f(−1)(t)=∫−∞tf(τ)dτ,则

  1. 时域积分:f(−1)(t)↔BF(s)s.

  2. 频域积分:f(t)t↔B∫s+∞F(s)ds.


单边积分性质 若 f(t)↔LF(s),且 f(−1)(t)=∫−∞tf(τ)dτ,则

  1. 时域积分:f(−1)(t)↔LF(s)+f(−1)(0−)s.

  2. 频域积分:f(t)t↔L∫s+∞F(s)ds.

证明

单边积分性质推论 若 f(t)↔LF(s),则

  1. 时域积分:f(n)(t)↔LF(s)+f(−1)(0−)sn+f(−2)(0−)sn−1+⋯+f(−n)(0−)s.

  2. 频域积分:f(t)tn↔L∫s+∞⋯∫s+∞F(s)ds⋯ds.

 

4.2.6 特值定理

双边特值定理 设 f(t)↔BF(s),则

  1. 初值定理:lims→∞sF(s)=f(0+)−f(0−).

  2. 终值定理:lims→0sF(s)=f(+∞)−f(−∞).


单边特值定理 设 f(t)↔LF(s),则

  1. 初值定理:若 f(t) 导数存在,则

    f(0+)=lims→∞sF(s).
  2. 终值定理:若 f(t) 导数存在,且 F(s) 的所有极点均位于 s 左半平面内(包括在原点处的单极点),则

    f(+∞)=lims→0sF(s).
证明

备注 使用特值定理时需要将 F(s) 化为真分式加多项式,并舍弃多项式部分,因为多项式的拉普拉斯变换为冲激函数及其高阶导数.

 

4.2.7 卷积定理

单边卷积定理 若 f1(t)↔LF1(s),f2(t)↔LF2(s),则

  1. 时域卷积:f1(t)∗f2(t)↔LF1(s)F2(s).

  2. 频域卷积:f1(t)f2(t)↔L12πjF1(s)∗F2(s).

证明

 

4.2.8 对称性质

没用的性质 若 f(t)↔LFL(s),f(t)↔BFB(s),则

  1. FB(jt)↔B2πf(js).

  2. FL(jt)↔Lπf(js)u(js)+f(js)u(js)∗1s.

证明

 

4.2.9 级数展开

定理 若 f(t)=∑n=0∞antn (t≥0) 收敛,且当 n 足够大时有 |an|≤Kαnn!,其中 α,K>0,那么

L[f(t)](s)=∑n=0∞ann!sn+1,Re(s)>α.

备注 由此可得 Sa(t)↔Lπ2−arctan⁡(s).

 

4.2.10 极限性质

定理 若 f(t) 在 [0,+∞) 分段连续,且有指数阶 α,那么 L[f] 在 Re(s)>α 时存在,且绝对收敛,且一致收敛,且 limRe(s)→∞F(s)=0.

备注 由此可检验一些函数是否可能成为象函数.

 

4.3 拉普拉斯逆变换

4.3.1 复数域部分分式展开

若共轭复根的次数 ≥2,在复数域展开较为简便.

一般方法:

  1. 待定系数法

  2. 特值代入法

  3. 根值代入法(海维赛德展开公式)

  4. 多次分解法

技巧:

  1. 相同次数共轭根的系数共轭

  2. 极限法:lims→∞sF(s).

  3. 省去低次项的长除法.

求完拉普拉斯逆变换后,用欧拉公式将复指数化为三角函数.

 

4.3.2 实数域部分分式展开

若共轭复根的次数 ≤2,在实数域展开较为简便.

一般方法

  1. 待定系数法

  2. 特值代入法

  3. 海维赛德展开公式

  4. 另一种复根代入法

  5. 多次分解法

在求解拉普拉斯逆变换的时候,可以用频域微分性质或卷积定理.

 

4.3.3 常用拉普拉斯逆变换

多重实根与一重共轭复根

象函数 F(s)原函数 f(t)说明
snδ(n)(t)n∈N.
1(s+a)ntn−1(n−1)!e−atn>0,a∈C.
s+a(s+a)2+ω2e−atcos⁡(ωt)a,ω∈C.
ω(s+a)2+ω2e−atsin⁡(ωt)a,ω∈C.

多重共轭复根

象函数 F(s)原函数 f(t)说明
1(s2+ω2)2sin⁡(ωt)−ωtcos⁡(ωt)2ω3ω∈C.
s(s2+ω2)2tsin⁡(ωt)2ωω∈C.
s2(s2+ω2)2sin⁡(ωt)+ωtcos⁡(ωt)2ωω∈C.
s3(s2+ω2)2cos⁡(ωt)−ωt2sin⁡(ωt)ω∈C.
1(s2+ω2)3(3−t2ω2)sin⁡(tω)−3tωcos⁡(tω)8ω5ω∈C.
s(s2+ω2)3t(sin⁡(tω)−tωcos⁡(tω))8ω3ω∈C.

没什么用的函数

象函数 F(s)原函数 f(t)说明
s+a(s+a)2−ω2e−atcosh⁡(ωt)a,ω∈C.
ω(s+a)2−ω2e−atsinh⁡(ωt)a,ω∈C.
(s−1)nsn+1Ln(t)=etn!dndtn(tne−t)n∈N.

 

4.4 拉氏变换的应用

4.4.1 埃尔米特多项式

这部分是 4.4.2 的拓展.

定义

  1. 物理学家的埃尔米特多项式:Hn(x)=(−1)ne−x2dndxne−x2.

  2. 统计学家的埃尔米特多项式:Hen(x)=(−1)ne−x22dndxne−x22.

关系

  1. Hn(x)=2n2Hen(2x).

  2. Hen(x)=2−n2Hn(x2).

性质

  1. 对称性:Hn(−x)=(−1)nHn(x).

  2. 正交性:

    1. 权函数:w(x)=e−x2.

    2. 克罗内克函数:δm,n=I{m=n}.

    3. ∫−∞+∞Hm(x)Hn(x)w(x)dx=n!2nπδm,n.

  3. 完备性:

    1. 在所有满足 ∫−∞+∞|f(x)|2w(x)dx<+∞ 的函数所构成的完备空间中,埃尔米特多项式序列构成一组基.

    2. 内积:⟨f,g⟩=∫−∞+∞f(x)g(x)―w(x)dx.

  4. 埃尔米特方程:u″−2xu′+2λu=0,其解即为埃尔米特多项式 Hλ(x).

  5. 递推公式:Hn+1(x)=2xHn(x)−Hn′(x),H0(x)=1.

 

4.4.2 误差函数

定义 (误差函数) erf⁡(t):=2π∫0te−x2dx.

性质

  1. 基本性质

    1. erf⁡(−t)=−erf⁡(t).

    2. limt→∞erf⁡(t)=1.

    3. limt→−∞erf⁡(t)=−1.

  2. 微分性质

    1. erf′⁡(t)=2πe−t2.

    2. erf″⁡(t)+2terf′⁡(t)=0.

    3. erf(n)⁡(t)=2(−1)n−1πHn−1(t)e−t2.

  3. 不定积分:∫erf⁡(t)dt=terf⁡(t)+e−t2π+C.

  4. 泰勒展开:erf⁡(x)=2π∑n=0∞(−1)nx2n+1n!(2n+1).

  5. 拉氏变换:L[erf⁡(t)](s)=1ss+1.

证明

  1. 基本性质

    1. 由高斯积分或伽马函数即得.

    2. 由定义经换元即得.

    3. 由前两个性质即得.

  2. 微分性质:由定义即得.

  3. 分部积分即得:

    ∫erf⁡(t)dt=terf⁡(t)−2π∫te−t2dt=terf⁡(t)+e−t2π+C.
  4. 展开积分定义式中的被积函数即得.

  5. 由时域卷积定理,

    1ss+1↔Lu(t)∗e−tπtu(t)=∫0te−xπxdx=2π∫0te−u2du=erf⁡(t).

证毕.

 

4.4.3 贝塔函数

一方面,由定义,tα−1u(t)∗tβ−1u(t)=B(α,β)tα+β−1,

另一方面,由卷积定理,tα−1u(t)∗tβ−1u(t)=Γ(α)Γ(β)Γ(α+β)tα+β−1.

于是得到 ∀α,β>0:B(α,β)=Γ(α)Γ(β)Γ(α+β).

 

4.4.4 贝塞尔函数

定义 下述微分方程的解称为 ν 阶贝塞尔函数:

t2d2ydt2+tdydt+(t2−ν2)y(t)=0,

其显性表达式为

Jν(t)=∑n=0∞(−1)nt2n+ν22n+νn!(n+ν)!.

特殊的,记

J0(at)=∑n=0∞(−1)na2nt2n22n(n!)2=∑n=0∞a2nt2n.

性质

  1. |a2n|=|a|2n22n(n!)2≤|a|2n(2n)!.

  2. J0(at)↔L1s2+a2.

定义 修正贝塞尔函数定义为

Iν(t)=Jν(jt)jv=∑n=0∞t2n+ν22n+νn!(n+ν)!.

性质 I0(at)↔L1s2−a2.

 

4.4.5 积分方程

定义 已知函数 g(t),积分核为 k(t,τ),未知函数 f(t),则积分方程形如

  1. f(t)=g(t)+∫0tk(t,τ)f(τ)dτ.

  2. g(t)=∫0tk(t,τ)f(τ)dτ.

特例求解 当 k(t,τ)=k(t−τ) 时,上述两个形式化为

  1. f(t)=g(t)+k(t)∗f(t).

  2. g(t)=k(t)∗f(t).

两边取拉普拉斯变换,则有

  1. F(s)=G(s)1−K(s).

  2. F(s)=G(s)K(s).

 

4.4.6 等时降线

对于等时降线问题,可列出积分方程

T0=12g∫0yf(u)duy−u=f(y)∗12gy,

其中 f(u) 表示高度为 u 时的 dsdy,y 表示总的高度.

对两边取拉氏变换,得

F(s)=2gπs,f(y)=1π2gy=cy,

另一方面,f(y)=dsdy=1+(dxdy)2,从而解得

{x=2gπ2(φ+sin⁡φ),y=2gπ2(1−cos⁡φ).

 

4.4.7 稳态解

叠加原理

海维赛德扩展定理

 

4.4.8 差分方程

 

4.5 线性系统的复频域分析

 

4.6 s 域的系统函数

4.6.1 系统函数的定义

 

4.6.2 零状态响应求解

 

4.6.3 系统框图的设计

将系统函数表示为 H(s)=N(s)D(s)=N′(s−1)D′(s−1),利用放大器、积分器进行设计.

 

4.7 零极点分布的时域影响

4.7.1 零极点分布图

 

4.7.2 零极点对冲激响应的影响

  1. 实数极点

    1. 一阶:1s−p↔Leptu(t).

      1. 负实轴:衰减指数信号,稳定系统.

      2. 原点处:单位阶跃信号,临界稳定系统.

      3. 正实轴:增长正弦信号,不稳定系统.

    2. 高阶:1(s−p)n↔Ltn−1ept(n−1)!u(t).

      1. 负实轴:起伏衰减信号,极值点为 n−1−p,稳定系统.

      2. 原点处:响应为幂函数,不稳定系统.

      3. 正实轴:不稳定系统.

  2. 共轭极点

    1. 一阶:ω0(s−p)2+ω02↔Leptsin⁡(ω0t)u(t).

      1. 左半平面:衰减正弦振荡信号,稳定系统.

      2. 位于虚轴:等幅正弦振荡信号,临界稳定系统.

      3. 右半平面:增长正弦振荡信号,不稳定系统.

    2. 高阶:Γ(n)2j(1(s−p−jω0)n−1(s−p+jω0)n)↔Ltn−1eptsin⁡(ω0t).

      1. 左半平面:稳定系统.

      2. 位于虚轴:不稳定系统.

      3. 右半平面:不稳定系统.

 

4.7.3 零极点与系统响应的关系

H(s)=H0∏j(s−zj)∏i(s−pi),F(s)=F0∏l(s−zl)∏k(s−pk),Yzs(s)=∑Cis−pi+∑Cks−pk,yzs(t)=∑Ciepit+∑Ckepkt

 

4.8 零极点分布的频域影响

4.8.1 系统的频率响应

 

4.8.2 典型的系统函数

 

4.9 系统稳定性

4.9.1 系统稳定的时域条件

定义 系统若对任意有界输入的零状态响应有界,则称为 稳定系统,或称为有界输入有界输出(bounded input, bounded output, BIBO)稳定系统.

定理 线性时不变连续因果系统稳定的充要条件是冲激响应绝对可积,即

∃M>0:∫0+∞|h(t)|dt≤M.
证明

 

4.9.2 系统稳定的 s 域条件

具体见 4.7.2 节,这里整理如下:对于系统函数

H(s)=N(s)D(s)=Ksm+bm−1sm−1+⋯+b1s+b0sn+an−1sn−1+⋯+a1s+a0,
  1. 若极点全部位于左半平面,则系统稳定.

  2. 若一阶极点位于虚轴,则系统临界稳定.

  3. 若高阶极点位于虚轴,或极点位于右半平面,则系统不稳定.

 

4.9.3 劳斯–赫尔维茨判据

定义 多项式的根若均位于左半平面,则称为 赫尔维茨多项式.

定理 1 多项式为赫尔维茨多项式的必要条件为各项系数大于零且无缺项,即对于

D(s)=sn+an−1sn−1+⋯+a1s+a0,

有 ai>0,i=0,1,⋯,n−1.

定理 2 若多项式的劳斯阵列第一列元素均严格大于零,则该多项式为赫尔维茨多项式.

备注

 

 

 

第 5 章 离散时间的时域分析

5.1 离散时间信号及其运算

5.1.1 离散时间信号的定义

x(t)连续→离散C / Dx(n)离散时间系统DTSy(n)离散→连续D / Cy(t)

离散时间信号即离散的序列:

 

5.1.2 离散时间信号的运算

 

5.1.3 常用的离散时间信号

  1. 单位阶跃序列:u(n)=I{n∈N}.

  2. 单位样值序列:δ(n)=I{n=0}.

    1. 又称为单位脉冲序列、单位冲激序列.

    2. 相互关系

      1. δ(n)=∇u(n).

      2. δ(n+1)=Δu(n).

      3. u(n)=∑k=0∞δ(n−k).

      4. u(n+1)=1−∑δ(n).

    3. 序列性质

      1. x(n)δ(n−k)=x(k)δ(n−k).

      2. x(n)=∑k=−∞∞x(k)δ(n−k).

      3. x(n)=x(n)⊗δ(n).

  3. 单边指数序列:x(n)=anu(n).

  4. 单边斜变序列:R(n)=n⋅u(n).

  5. 单位矩形序列

    1. GN(n)=I{0≤n<N}.

    2. GN(n)=u(n)−u(n−N).

    3. 注意区别于 Gτ(t).

  6. 正弦序列

    1. x(n)=sin⁡(nωTs)=sin⁡(nω0).

    2. 当且仅当 ω02π∈Q 时,正弦序列为周期信号.

  7. 复指数序列

    1. x(n)=ejω0n=cos⁡(nω0)+jsin⁡(nω0).

    2. 当且仅当 ω02π∈Q 时,复指数序列为周期信号.

 

5.2 离散时间系统数学模型

5.2.1 函数与序列方程分类

  1. 函数方程

    1. 无差分

      1. 代数方程

      2. 微分方程

      3. 积分方程:以求解 f(t) 为例,形如

        1. f(t)=g(t)+∫0tk(t,τ)f(τ)dτ.

        2. g(t)=∫0tk(t,τ)f(τ)dτ.

    2. 含差分

      1. 函数差分方程:例如 ∑k=0Naky(t−t1k)=∑k=0Mbke(t−t2k).

      2. 延迟微分方程:例如 ∑k=0Naky(αk)(t−t1k)=∑k=0Mbke(βk)(t−t2k).

      3. 延迟积分方程:包含差分、微分与积分的方程,不局限于上述形式.

  2. 序列差分方程(举例,非完全分类)

    1. 常系数差分方程:形如 ∑k=0Naky(n−k)=∑k=0Mbkx(n−k).

    2. 一阶前向差分方程:y(n+1)+ay(n)=x(n).

在本章中,我们着重研究序列的差分方程.

 

5.2.2 函数与序列方程求解

  1. 经典时域法:见 5.3 常系数线性差分方程.

  2. 零输入响应 + 零状态响应.

  3. 频域或复频域分析法.

    1. 对于函数方程,可利用拉普拉斯变换或傅里叶变换求解.

    2. 其中积分方程根据形式可利用卷积定理.

    3. 序列差分方程可通过 f(t)=a⌊t⌋ (t>0) 转化为函数的差分方程.

  4. 变换域方法:见第六章.

  5. 特殊函数化简法:利用 Ei(t),erf⁡(t),W(t) 等特殊函数.

  6. 计算机求解:符号求解,或数值迭代.


例 1 对于一阶延时微分方程 y′(t)=ay(t−t0),设 y(t)=Cebt,于是 bC=aCe−bt0,从而 y(t)=CeWk(at0)t,其中 Wk(at0) 为 Lambert 函数,并且

  1. 当 −1e≤at0<0 时,k=0 或 −1,即有两种解.

  2. 当 at0≥0 时,k=0,即只考虑主分支 W.

备注 Lambert 函数手写笔记.


例 2 利用 mathematics 求解二阶延迟微分方程:

 

5.2.3 离散系统的运算单元

模拟离散时间系统:

  1. 加法器:∑.

  2. 乘法器:⊗.

  3. 标量乘法器:a

  4. 延时器:1E,z−1.

本章主要讨论线性时不变离散系统.

 

5.3 常系数线性差分方程

5.3.1 差分方程的齐次解

特征根 λ齐次解 yh(n)
k 个单实根∑i=1kCiλin.
m 重实根λn(A0+A1n+A2n2+⋯+Am−1nm−1).
共轭复根
λ=α±jβ=|λ|e±jφ
|λ|n[A1cos⁡(nφ)+A2sin⁡(nφ)].
m 重共轭复根在共轭复根的基础上,与 m 重实根类似.

 

5.3.2 差分方程的完全解

完全解不一定是所有的解.

激励 x(n)特解 yp(n)说明
x(n)=eanyp(n)=Aeana∈C.
x(n)=cos⁡(ωn)yp(n)=Acos⁡(ωn+θ)ω∈C.
x(n)=sin⁡(ωn)yp(n)=Asin⁡(ωn+θ)ω∈C.
x(n)=nkyp(n)=∑i=0kAinik∈N.
x(n)=rnyp(n)=Crnr∈C.

 

5.3.3 零输入与零状态响应

全响应 y(n)=yzi(n)+yzs(n).

 

5.4 离散时间系统的单位样值响应

5.4.1 单位样值响应的概念

 

5.4.2 单位样值响应的求解

线性时不变因果系统:

 

5.4.3 系统因果性与稳定性

由因果性的定义与 4.9.1 系统稳定的时域条件,

  1. LTI 离散时间系统具有因果性 ⇔h(n)=h(n)u(n).

  2. 离散时间系统具有稳定性 ⇔∃M>0:∑n=−∞+∞|h(n)|≤M.

 

5.5 离散时间系统的卷积和

5.5.1 卷积和的性质

定义 序列 x1(n) 和 x2(n) 的卷积和定义为

(x1∗x2)(n)=x1(n)∗x2(n)=∑m=−∞∞x(m)δ(n−m),

其中运算符 ∗ 也可写为 ⊗,卷积和也可简称为卷积.

性质 1 基本代数性质

  1. 交换律 x1∗x2=x2∗x1.

  2. 结合律 (x1∗x2)∗x3=x1∗(x2∗x3).

  3. 分配律 x1∗(x2+x3)=x1∗x2+x1∗x3.

性质 2 伸缩与代换

  1. 数乘 a(x1∗x2)=(ax1)∗x2.

  2. 平移 x1(n−m1)∗x2(n−m2)=(x1∗x2)(n−m1−m2).

  3. 尺度 x1(an)∗x2(an)=(x1∗x2)(an),a−1∈N+.

性质 3 差分与求和

  1. 向前差分 Δ(x1∗x2)=(Δx1)∗x2.

  2. 向后产分 ∇(x1∗x2)=(∇x1)∗x2.

  3. 求和运算 ∑(x1∗x2)=(∑x1)∗x2.

性质 4 等效变换

  1. x1∗x2=∑x1∗∇x2.

  2. x(n)∗δ(n)=x(n).

  3. x(n)∗u(n)=∑x(n).

备注

 

5.5.2 卷积和的求解

除了利用上述卷积和的性质,一般的,可以考虑以下几种方法:

  1. 直接用定义求解:x1(n)∗x2(n)=∑m=−∞+∞x1(m)x2(n−m).

  2. 分解为样值序列:x(n)=∑m=−∞+∞x(m)δ(n−m).

  3. 代数法 / 图解法:反褶、平移、相乘、取和.(无需画出图像;有穷或者无穷都可以)

  4. 对位相乘求和法:本质上即计算多项式相乘.(适用于有穷序列)

  5. 离散 Z 变换法:x1∗x2=Z−1[Z[x1]⋅Z[x2]].

  6. 快速傅里叶变换 (FFT): a⊗b=IDFT2n[DFT2n(a)∘DFT2n(b)].

  7. Winograd 算法:参考乐正垂星的视频.

备注 手算建议:有穷序列使用对位相乘求和法,无穷序列使用代数法 / 图解法.

例子 由代数法或图解法,有

anu(n)∗bnu(n)=an+1−bn+1a−bu(n),anu(n)∗anu(n)=an(n+1)u(n),nku(n)∗u(n)=∑i=0niku(n),

 

5.5.3 卷积和的应用

  1. 求零状态响应:yzs(n)=x(n)∗h(n).

    x(n)=x(n)∗δ(n)=∑m=−∞+∞x(m)δ(n−m)→∑m=−∞+∞x(m)h(n−m)=x(n)∗h(n).
  2. 概率质量函数:

    P{X+Y=k}=∑i=−∞+∞P{X=i,Y=k−i}=P{X=k}∗P{Y=k}.
  3. 大数的乘法:计算乘法本质上就是在做卷积,对于大数乘法,也可以使用快速傅里叶变换.

 

 

 

第 6 章 离散时间系统的 z 域分析

6.1 z 变换的概念

6.1.1 z 变换的定义

 

6.1.2 z 变换收敛域

收敛域(region of convergence, ROC)

备注

 

6.1.3 常用的 z 变换

序列 f(n)z 变换 F(z)收敛域参数说明
δ(n)1C 
u(n)zz−1|z|<1 
anu(n)zz−a|z|>|a|a∈C
cos⁡(ω0n)u(n)z(z−cos⁡ω0)z2−2zcos⁡ω0+1|z|>1ω0∈R
sin⁡(ω0n)u(n)zsin⁡ω0z2−2zcos⁡ω0+1|z|>1ω0∈R
n⋅u(n)z(z−1)2|z|<1 
n2⋅u(n)z(z+1)(z−1)3|z|<1 
a|n|zz−a+az−1−aa<|z|<a−1a<1

备注

差比数列求和通项公式
差比数列数值求和代码
差比数列符号求和代码

 

 

6.2 z 变换的性质

6.2.1 线性性质

线性性质 若 f1(t)↔ZF1(z),f2(t)↔ZF2(z),则对于 ∀k1,k2∈C,有

k1f1(t)+k2f2(t)↔Zk1F1(z)+k2F2(z).

备注

 

6.2.2 位移性质

双边位移性质 若 f(n)↔ZBF(z),则对于 ∀m∈Z,有

f(n−m)↔ZBz−mF(z).

双边性质推论 若因果序列 f(n)↔ZBF(z),则对于 ∀m∈N,有

f(n−m)=f(n−m)u(n−m)↔Zz−mF(z).

单边位移性质 若 f(n)u(n)↔ZF(z),则

  1. f(n+1)u(n)↔Zz[F(z)−f(0)].

  2. f(n−1)u(n)↔Zz−1F(z)+f(−1).

单边性质推论 若 f(n)u(n)↔ZF(z),则对于 ∀m∈N,有

  1. f(n+m)u(n)↔ZzmF(z)−∑k=0m−1f(k)zm−k.

  2. f(n−m)u(n)↔Zz−mF(z)+∑k=0m−1f(k−m)z−k.

  3. f(n−m)u(n)↔Zz−mF(z)+∑k=−m−1f(k)z−m−k.

  4. f(n−m)u(n)↔Zz−mF(z)+∑k=1mf(−k)z−(m−k).

推论 对于因果序列 f(n) 和 ∀m∈N,有 f(n−m)u(n)↔ZF(z)zm.

例子

  1. f(n+2)u(n)↔Zz2F(z)−z2f(0)−zf(1).

  2. f(n−2)u(n)↔Zz−2F(z)+z−1f(−1)+f(−2).

 

6.2.3 尺度性质

尺度性质 (序列指数加权) 若 f(n)↔ZF(z),则对于 ∀a≠0,有

anf(n)↔ZF(za).

备注 该性质对于双边、左边、右边 z 变换均成立.

推论

  1. a−nf(n)↔ZF(az).

  2. (−1)nf(n)↔ZF(−z).

 

6.2.4 微分性质

微分性质 (序列线性加权) 若 f(n)↔ZF(z),则

nf(n)↔Z−zddzF(z).

备注 该性质对于双边、左边、右边 z 变换均成立.

 

6.2.5 卷积定理

时域卷积 若 f1(n)↔ZF1(z),f2(n)↔ZF2(z),则

f1(n)∗f2(n)↔ZF1(z)⋅F2(z).

备注 该性质对于双边、左边、右边 z 变换均成立.

频域卷积 若 f1(n)↔ZF1(z),f2(n)↔ZF2(z),则

f1(n)f2(n)↔Z12πj∮C1F1(zv)F2(v)dvv=12πj∮C2F1(v)F1(zv)dvv.

其中 C1 为 F1(zv) 和 F2(v) 收敛域重叠部分内逆时针旋转的围线.

 

6.2.6 特值定理

特值定理 设因果序列 f(n)↔ZF(z) 且满足 f(∞) 收敛,则

  1. 初值定理:f(0)=limz→∞F(z).

  2. 终值定理:f(∞)=limz→1(z−1)F(z).

备注

 

6.3 z 逆变换

6.3.1 围线积分法

x(n)=12πj∮CX(z)zn−1dz=∑mRes⁡[X(z)zn−1]z=zm.

 

6.3.2 幂级数展开法

利用长除法,若为因果序列,则将分式表示为 F(z),若为反因果序列,则将分式表示为 F(z−1).

 

6.3.3 部分分式展开法

一般先展开 F(z)z,最后两边同乘以 z,并利用结论

z(z−a)k+1↔Zan−k(nk)u(n).

也可以直接展开 F(z),并利用结论

1(z−a)k↔Zan−k(n−1k−1)u(n−1).

 

6.6 系统函数

6.6.1 单位样值响应与系统函数

 

6.6.2 零极点分布与系统的特性

单位圆{圆内{单个实极点:衰减指数振荡,共轭复极点:衰减正弦振荡.圆上{单个实极点:单位阶跃振荡,共轭复极点:等幅正弦振荡.圆外{单个实极点:增长指数振荡,共轭复极点:增幅正弦振荡.
极点{实极点{一阶{圆内圆上圆外高阶{圆内圆上圆外复极点{一阶{圆内圆上高阶{圆内圆上圆外

 

6.6.3 离散系统稳定性与因果性

离散因果系统的稳定性:

 

6.7 频率响应特性

6.7.1 DLTIS 的频率响应特性

HF(ω)=HL(jω)=HZ(ejω)

 

6.7.2 DLTIS 的正弦稳态响应

Acos⁡(ωn+ψ)→A|H(ejω)|cos⁡[ωn+ψ+φ(ω)].